STRUTTURE MISTE ACCIAIO-CLS Lezione 2

Lezione n° 17Università degli Studi Roma Tre – Dipartimento di IngegneriaCorso di Teoria e Progetto di Ponti – A/A 2013-2014 - Dott. Ing. Fabrizio Paolacci

STRUTTURE MISTE ACCIAIO-CLSLezione 2


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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Sistemi di connessione (Introduzione)

Lo sviluppo di sistemi composti acciaio-cls è evidentemente dovuto allo sviluppo di efficienti sistemi di connessione tra profili d’acciaio a soletta in cls, i quali devono essere in grado annullare lo scorrimento tra le due parti e di trasmettere adeguatamente le forze che i due materiali si scambiano all’interfaccia del collegamento. Si parla nel caso specifico di travi composte acciaio-cls di collegamenti a taglio. Dal punto di vista meccanico i connettori sono caratterizzati da:Rigidezza: connettori rigidi annullano lo scorrimento tra cls e acciaio e le forze di scorrimento si trasmettono proporzionalmente al taglio. Nel caso di connessione poco rigida si è in presenza di una ridistribuzione della sollecitazione per la presenza di scorrimento tra soletta e profilo d’acciaioResistenza: se i connettori hanno una resistenza a taglio tale che la sezione arrivi a rottura per superamento del momento ultimo si parla di connettori a totale ripristino di resistenza. In caso contrario si parla di connettori a parziale ripristino di resistenzaDuttilità: la duttilità dei connettori è loro capacità di avere deformazioni plastiche senza per altro raggiungere la rottura. Connessioni duttili permettono una più uniforme distribuzione della sollecitazione tra i connettori.


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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS (Sistemi di connessione)Tipologie di connettori

Esistono in commercio una notevole quantità di brevetti per sistemi di connessione per travi composte acciaio-cls:

Pioli Nelson: sono i più usati anche perché sono facilmente installabili e non richiedono saldatori specializzati. Hanno inoltre la testa ringrossata per evitare il sollevamento (Uplift) della soletta rispetto al profilo d’acciaio. E’ una connessione di tipo duttile.


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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS (Sistemi di connessione)Tipologie di connettori – Pioli Nelson


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Connettori ad attrito

SI UTILIZZANO IN GENERE IN PRESENZA DI SOLETTE PREFABBRICATE


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Connettori a pressione

Evitano il sollevamento


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Connettori a blocco: uncini e cappi (si usano in presenza di solette piene)


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Connettori misti a pressione e a blocco con uncini e cappi

(si usano in presenza di solette piene)


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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS (Sistemi di connessione)CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI

Connettori rigidi e poco duttiliNell’ipotesi di connettori rigidi e poco duttili la forza su ogni connettore si valuta con la formula di Jourawsky:

Se si utilizzassero connettori uguali, per sfruttare la meglio la loro resistenza sarebbe necessario disporli a passo non costante.

iJ

S2

)TT(

ibFid

*21

c

T1 T2

i

L’EC4 al punto 6.2.2 permette la disposizione dei connettori a passo variabile in accordo con l’andamento del Taglio calcolato con la teoria elastica.


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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS (Sistemi di connessione a pioli)CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI

Connettori a totale e parziale ripristino di resistenza (Eurocodice 4)L’EC4 e le NTC prevedono due tipologie di connettori in funzione proprio della distribuzione delle sollecitazioni. Nel caso i connettori permettano il raggiungimento del momento ultimo della sezione, senza che per essi sopraggiunga la rottura, si parla di connessioni a totale ripristino della resistenza. In caso contrario si parla di connessioni a parziale ripristino di resistenza.

CONNETTORI POCO RIGIDI E DUTTILIMa mano che la rigidezza dei connettori diminuisce la distribuzione delle sollecitazioni si allontana dall’andamento lineare e tende ad essere uniforme per connettori duttili. Se al limite i connettori fossero infinitamente duttili sarebbe utilizzabile tutta la loro resistenza. In tal caso la loro disposizione sarebbe evidentemente a passo costante. L’Eurocodice 4 (punto 6.1.2) così come le NTC (punto 4.3.4.3.1.1) definiscono un sistema di connessione a pioli duttile se:

diametro compreso tra 16 e 22 mm altezza h> 4 n° connettori N > 0.4 Nf (n° di connettori per completo ripristino di resistenza)


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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS (Sistemi di connessione)CALCOLO DEL NUMERO DI PIOLI

CONNETTORI A TOTALE RIPRISTINO DI RESISTENZAIn tal caso la forza che essi dovranno sopportare è evidentemente data dal minimo tra la resistenza a trazione dell’acciaio e a compressione della soletta di cls:

Il numero dei connettori per motivi di simmetria della sollecitazione di scorrimento è dato dal rapporto tra Fc e la resistenza del singolo connettore.

i= costante

+

- Fc

Fc/ (L/2)Nc=Fc/Pc

Numero connettori

i=Nc/ (L/2)

Passo connettori

L

(Diagramma dello scorrimento)

ydsscd0cscc fARsfbRdove)R,Rmin(F

profiloplcompsezpl MMse ,., 5.2

5i


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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Sistemi di connessioneCALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI

Connettori a parziale ripristino di resistenza: Il calcolo dei connettori può essere effettuato anche nell’ipotesi che la connessione non permetta il raggiungimento del momento ultimo della sezione. In tal caso si parla di parziale ripristino di resistenza, e occorre calcolare la reale forza di scorrimento trasmessa ai pioli corrispondente alla reale sollecitazione di taglio calcolato con la teoria plastica. In alternativa l’EC4 permette l’utilizzo di una relazione lineare tra Momento e forza di scorrimento (metodo dell’interpolazione lineare).

M

Fc

Ms,pl

Mpl,c

Zona di collasso dei connettori

Zona di collasso per schiacciamento del cls

Zona di collasso acciaio

Metodo dell’interpolazione lineare


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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Sistemi di connessioneCALCOLO DELLA RESISTENZA DEI CONNETTORI – EC4, NCT08

La resistenza del connettore è stata determinata mediante numerose prove sperimentali, i cui risultati sono stati utilizzati per tarare delle formule interpretative che tengono conto dell’interazione tra resistenza del cls e del connettore. L’Eurocodice 4 tende ad essere ancora più semplificativo distinguendo la rottura del cls da quella del connettore:

4f8.0P

Ef29.0P

doveP,PminP

2

v

uc,r

cmck2

vcls,r

c,rcls,rc

Resistenza a rifollamento del cls

Resistenza a taglio del connettore

RESISTENZA MASSIMA DEL CONNETTORE SECONDO EC4


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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLSCALCOLO DELL’ARMATURA TRASVERSALE DELLA SOLETTA (EC4,NCT08)

Alla verifica dei collegamenti va associata anche una verifica allo scorrimento delle sezioni che non tagliano i connettori e che potrebbero andare in crisi per scorrimento. Nel caso di pioli data la resistenza a scorrimento unitaria del cls si deve verificare che quest’ultima applicata alle due superfici a-a indicate in figura dia luogo ad una forza maggiore dello scorrimento trasmesso dalla connessione. Per la determinazione dell’armatura trasversale necessaria è sufficiente far riferimento al modello a traliccio indicato il figura. Detta Pc la resistenza del connettore la forza di trazione che agirà sull’armatura trasversale sarà semplicemente Fs=Pc/2 con la quale si potrà dimensionare l’armatura As=Fs/fyd


TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Sistemi di connessioneCALCOLO DELL’ARMATURA TRASVERSALE DELLA SOLETTA (EC4,NCT)

Le NTC e l’EC4 prescrivono un’armatura trasversale minima pari allo 0.2% dell’area del calcestruzzo longitudinale. Considerando un’area pari allo spessore s della soletta per un metro di lunghezza longitudinale della soletta l’area minima di armatura trasversale si può esprimere come:

As,w,min = 0.002 s 1



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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Influenza delle modalità costruttive

La realizzazione di travi composte acciaio-cls avviene generalmente per fasi successive secondo modalità differenti ognuna delle quali può influenzare lo stato tensionale finale della trave. In particolare sono due le fasi principali da considerare:

a) SOLETTA NON COLLABORANTEIn questa fase la soletta non collabora alla resistenza in quanto il cls non ha raggiunto ancora la maturazione opportunaIn questa fase la trave in acciaio può essere o meno puntellata

b) SOLETTA COLLABORANTEDopo la presa e l’indurimento del cls la soletta è parte integrante della sezione e contribuisce per sole tensioni di compressione alla resistenza della sezione


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TRAVI COMPOSTE ACCI AI O-CLSI nfluenza delle modalità costruttiveI l grafico seguente illustra le varie possibili fasi con particolare attenzione ai casi di travi puntellate e non puntellate.

Travi puntellateNel caso di travi di acciaio puntellate ipuntelli limitano o eliminano del tutto letensioni nella trave di acciaio prima che lasoletta indurisca. Esiste di fatto una solafase nella quale la trave è da considerarecomposta. La rigidezza in fase di esercizio(a lungo termine) è dunque elevata.Travi non puntellateNel caso di travi non puntellateinizialmente il sistema è più deformabile(trave d’acciaio soggetta al peso dellasoletta) per diventare successivamentepiù rigido dopo la maturazione del cls.Se i materiali sono duttili si perviene però allo stesso carico ultimo. Dunque le modalità costruttive assumono particolare rilevanza solo in fase di esercizio.


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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Influenza delle modalità costruttive

Guadagno di rigidezza grazie al puntellamento


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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Influenza delle modalità costruttive: TRAVE NON PUNTELLATA

Momento dovuto al peso proprio della trave e al peso della soletta

Momento dovuto ai sovraccarichi permanenti e variabili


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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Influenza delle modalità costruttive: TRAVE NON PUNTELLATA

Verifiche

Fase di costruzione (trave d’acciaio)

• Verifica in esercizio con controllo degli spostamenti• Verifiche in esercizio (instabilità flesso-torsionale, imbozzamento anima)• Verifica allo SLU

Soletta collaborante (trave composta)

• Verifica in esercizio con controllo degli spostamenti e della fessurazione • Verifiche in esercizio (instabilità flesso-torsionale, imbozzamento anima)• Verifica allo SLU• Calcolo e verifica dei connettori

• Se flessibili e duttili : calcolo plastico• Se rigidi e poco duttili : calcolo elastico


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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Influenza delle modalità costruttive: TRAVE PUNTELLATA

Trave puntellata (profilo d’acciaio)

Fase di disarmo (soletta collaborante)+

=

Trave senza puntelli (soletta collaborante)

Momento dovuto al peso trave e soletta

Momento dovuto ai Sovr. Per. e Variabili

+

=


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TRAVI COMPOSTE ACCIAIO-CLS Influenza delle modalità costruttive: TRAVE PUNTELLATA

Verifiche

Fase di costruzione (trave d’acciaio)

• Verifica in esercizio con controllo degli spostamenti• Verifiche in esercizio (instabilità flesso-torsionale, imbozzamento anima)• Verifica allo SLU

Soletta collaborante (trave composta)

• Verifica di esercizio, spostamenti + fessurazione (azioni disarmo +s. per+var)• Verifiche in esercizio (instabilità flesso-torsionale, imbozzamento anima)• Verifica allo SLU• Calcolo e verifica dei connettori

• Se flessibili e duttili : calcolo plastico• Se rigidi e poco duttili : calcolo elastico

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